Lernziele
- Diskutieren Sie die Rolle von Sauerstoff und Nährstoffen für das menschliche Überleben
- Erläutern Sie, warum extreme Hitze und extreme Kälte das menschliche Überleben bedrohen und extreme Kälte das menschliche Überleben bedrohen
- Erläutern Sie, wie der von Gasen und Flüssigkeiten ausgeübte Druck das menschliche Überleben beeinflusst
- Diskutieren Sie die Rolle der Homöostase für das gesunde Funktionieren
- Stellen Sie negative und positive Rückkopplung einander gegenüber, Geben Sie ein physiologisches Beispiel für jeden Mechanismus
Der Mensch hat sich mindestens in den letzten 200.000 Jahren an das Leben auf der Erde angepasst. Die Erde und ihre Atmosphäre versorgen uns mit Luft zum Atmen, Wasser zum Trinken und Nahrung zum Essen, aber das sind nicht die einzigen Voraussetzungen zum Überleben. Auch wenn Sie vielleicht selten darüber nachdenken, können Sie außerhalb eines bestimmten Temperatur- und Druckbereichs, den die Oberfläche unseres Planeten und seine Atmosphäre bieten, nicht leben. Die folgenden Abschnitte befassen sich mit diesen vier Voraussetzungen für das Leben.
Sauerstoff
Die atmosphärische Luft besteht nur zu etwa 20 Prozent aus Sauerstoff, aber dieser Sauerstoff ist ein wichtiger Bestandteil der chemischen Reaktionen, die den Körper am Leben erhalten, einschließlich der Reaktionen, die ATP erzeugen. Gehirnzellen reagieren besonders empfindlich auf Sauerstoffmangel, da sie eine hohe und konstante Produktion von ATP benötigen. Ohne Sauerstoff ist eine Schädigung des Gehirns innerhalb von fünf Minuten und der Tod innerhalb von zehn Minuten wahrscheinlich.
Nährstoffe
Ein Nährstoff ist eine Substanz in Lebensmitteln und Getränken, die für das menschliche Überleben wichtig ist. Die drei grundlegenden Klassen von Nährstoffen sind Wasser, die energieliefernden und aufbauenden Nährstoffe und die Mikronährstoffe (Vitamine und Mineralien).
Der wichtigste Nährstoff ist Wasser. Je nach Umgebungstemperatur und Gesundheitszustand können wir nur wenige Tage ohne Wasser überleben. Die Funktionsstoffe des Körpers werden im Wasser gelöst und transportiert, und die chemischen Reaktionen des Lebens finden im Wasser statt. Außerdem ist Wasser der größte Bestandteil der Zellen, des Blutes und der Flüssigkeit zwischen den Zellen, und Wasser macht etwa 70 Prozent der Körpermasse eines Erwachsenen aus. Wasser trägt auch zur Regulierung unserer Innentemperatur bei und polstert, schützt und schmiert die Gelenke und viele andere Körperstrukturen.
Die energieliefernden Nährstoffe sind vor allem Kohlenhydrate und Fette, während Proteine hauptsächlich die Aminosäuren liefern, die die Bausteine des Körpers selbst sind. Sie werden mit pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln und Getränken aufgenommen und vom Verdauungssystem in Moleküle zerlegt, die klein genug sind, um aufgenommen zu werden. Die Abbauprodukte von Kohlenhydraten und Fetten können dann in den Stoffwechselprozessen verwendet werden, die sie in ATP umwandeln. Auch wenn man nach einer einzigen fehlenden Mahlzeit das Gefühl hat, zu verhungern, kann man mindestens mehrere Wochen lang ohne die energieliefernden Nährstoffe auskommen.
Wasser und die energieliefernden Nährstoffe werden auch als Makronährstoffe bezeichnet, weil der Körper sie in großen Mengen benötigt. Im Gegensatz dazu sind Mikronährstoffe Vitamine und Mineralstoffe. Diese Elemente und Verbindungen sind an vielen wichtigen chemischen Reaktionen und Prozessen beteiligt, z. B. an den Nervenimpulsen, und einige, wie z. B. Kalzium, tragen auch zur Struktur des Körpers bei. Ihr Körper kann einige Mikronährstoffe in seinem Gewebe speichern und auf diese Reserven zurückgreifen, wenn Sie sie einige Tage oder Wochen lang nicht mit der Nahrung zu sich nehmen. Einige andere Mikronährstoffe, wie z. B. Vitamin C und die meisten B-Vitamine, sind wasserlöslich und können nicht gespeichert werden, so dass Sie sie jeden Tag oder alle zwei Tage zu sich nehmen müssen.
Ein enger Temperaturbereich
Sie haben wahrscheinlich schon Nachrichten über Sportler gesehen, die an einem Hitzschlag starben, oder über Wanderer, die an der Kälte starben. Solche Todesfälle sind darauf zurückzuführen, dass die chemischen Reaktionen, auf die der Körper angewiesen ist, nur innerhalb eines engen Temperaturbereichs von knapp unter bis knapp über 37 °C stattfinden können. Wenn die Körpertemperatur weit über oder unter den Normalwert ansteigt, verlieren bestimmte Proteine (Enzyme), die chemische Reaktionen ermöglichen, ihre normale Struktur und ihre Funktionsfähigkeit, und die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels können nicht ablaufen.
Abbildung 1. Extreme Hitze. Der Mensch passt sich bis zu einem gewissen Grad an wiederholte Hitzeeinwirkung an. (credit: McKay Savage/flickr)
Dennoch kann der Körper effektiv auf kurzfristige Hitze- (Abbildung 1) oder Kälteeinwirkung reagieren. Eine der Reaktionen des Körpers auf Hitze ist natürlich das Schwitzen. Wenn Schweiß von der Haut verdunstet, entzieht er dem Körper einen Teil der Wärmeenergie und kühlt ihn. Für die Schweißproduktion ist eine ausreichende Menge Wasser (aus der extrazellulären Flüssigkeit im Körper) erforderlich, so dass eine angemessene Flüssigkeitszufuhr wichtig ist, um den Verlust während der Schweißreaktion auszugleichen. Es überrascht nicht, dass die Schweißreaktion in einer feuchten Umgebung viel weniger effektiv ist, da die Luft bereits mit Wasser gesättigt ist. Daher kann der Schweiß auf der Hautoberfläche nicht verdunsten, und die Körperinnentemperatur kann gefährlich hoch werden.
Der Körper kann auch wirksam auf kurzfristige Kälteeinwirkung reagieren. Eine Reaktion auf Kälte ist das Zittern, eine willkürliche Muskelbewegung, die Wärme erzeugt. Eine andere Reaktion ist der verstärkte Abbau von gespeicherter Energie zur Wärmeerzeugung. Wenn diese Energiereserven jedoch erschöpft sind und die Kerntemperatur deutlich zu sinken beginnt, verlieren die roten Blutkörperchen ihre Fähigkeit, Sauerstoff abzugeben, wodurch dem Gehirn diese wichtige Komponente der ATP-Produktion vorenthalten wird. Dieser Sauerstoffmangel kann zu Verwirrung, Lethargie und schließlich zum Verlust des Bewusstseins und zum Tod führen. Der Körper reagiert auf Kälte, indem er die Blutzirkulation in den Extremitäten, den Händen und Füßen, reduziert, um zu verhindern, dass das Blut dort auskühlt, und um den Körperkern warm zu halten. Doch selbst wenn die Körperkerntemperatur stabil bleibt, kann es in den Geweben, die starker Kälte ausgesetzt sind, insbesondere in den Fingern und Zehen, zu Erfrierungen kommen, wenn die Durchblutung der Extremitäten stark reduziert ist. Diese Form der Gewebeschädigung kann dauerhaft sein und zu Gangrän führen, so dass die betroffene Region amputiert werden muss.
Everyday Connection: Kontrollierte Unterkühlung
Wie Sie gelernt haben, führt der Körper ständig koordinierte physiologische Prozesse durch, um eine stabile Temperatur zu halten. In manchen Fällen kann es jedoch nützlich oder sogar lebensrettend sein, dieses System außer Kraft zu setzen. Hypothermie ist der klinische Begriff für eine abnorm niedrige Körpertemperatur (hypo- = “unter” oder “unterhalb”). Die kontrollierte Hypothermie ist eine klinisch induzierte Unterkühlung, die durchgeführt wird, um die Stoffwechselrate eines Organs oder des gesamten Körpers einer Person zu verringern.
Die kontrollierte Hypothermie wird beispielsweise häufig bei Operationen am offenen Herzen eingesetzt, da sie den Stoffwechselbedarf des Gehirns, des Herzens und anderer Organe senkt und so das Risiko einer Schädigung dieser Organe verringert. Bei der klinischen Anwendung der kontrollierten Hypothermie werden dem Patienten Medikamente verabreicht, um ein Zittern zu verhindern. Der Körper wird dann auf 25-32 °C (79-89 °F) abgekühlt. Das Herz wird angehalten und eine externe Herz-Lungen-Pumpe hält den Kreislauf des Patienten aufrecht. Das Herz wird weiter gekühlt und für die Dauer des Eingriffs auf einer Temperatur von unter 15 °C gehalten. Diese sehr kalte Temperatur hilft dem Herzmuskel, die fehlende Blutzufuhr während der Operation zu verkraften.
Einige Ärzte in der Notaufnahme setzen die kontrollierte Hypothermie ein, um die Schädigung des Herzens bei Patienten zu verringern, die einen Herzstillstand erlitten haben. In der Notaufnahme versetzt der Arzt den Patienten in ein Koma und senkt seine Körpertemperatur auf etwa 91 Grad. Dieser Zustand, der 24 Stunden lang aufrechterhalten wird, verlangsamt die Stoffwechselrate des Patienten. Da die Organe des Patienten weniger Blut benötigen, um zu funktionieren, verringert sich die Arbeitsbelastung des Herzens.
Enger Bereich des atmosphärischen Drucks
Druck ist eine Kraft, die von einer Substanz ausgeübt wird, die mit einer anderen Substanz in Kontakt ist. Der atmosphärische Druck ist der Druck, der durch das Gasgemisch (hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff) in der Erdatmosphäre ausgeübt wird. Auch wenn Sie ihn nicht wahrnehmen, drückt der atmosphärische Druck ständig auf Ihren Körper. Dieser Druck hält Gase in Ihrem Körper, wie z. B. den gasförmigen Stickstoff in den Körperflüssigkeiten, in Lösung. Wenn Sie plötzlich aus einem Raumschiff über der Erdatmosphäre herausgeschleudert würden, würden Sie von einer Situation mit normalem Druck in eine Situation mit sehr niedrigem Druck wechseln. Der Druck des Stickstoffgases in Ihrem Blut wäre viel höher als der Druck des Stickstoffs im Raum, der Ihren Körper umgibt. Infolgedessen würde sich das Stickstoffgas in Ihrem Blut ausdehnen und Blasen bilden, die die Blutgefäße verstopfen und sogar das Auseinanderbrechen von Zellen verursachen könnten.
Der atmosphärische Druck hat nicht nur die Aufgabe, die Blutgase in Lösung zu halten. Auch die Fähigkeit zu atmen, d. h. Sauerstoff aufzunehmen und Kohlendioxid abzugeben, hängt von einem präzisen atmosphärischen Druck ab. Die Höhenkrankheit tritt zum Teil deshalb auf, weil die Atmosphäre in großen Höhen einen geringeren Druck ausübt, was den Austausch dieser Gase verringert und Kurzatmigkeit, Verwirrung, Kopfschmerzen, Lethargie und Übelkeit verursacht. Bergsteiger tragen Sauerstoff bei sich, um die Auswirkungen des niedrigen Sauerstoffgehalts und des niedrigen Luftdrucks in größeren Höhen zu verringern (Abbildung 2).
Abbildung 2. Harte Bedingungen. Bergsteiger auf dem Mount Everest müssen mit extremer Kälte, geringem Sauerstoffgehalt und niedrigem Luftdruck in einer lebensfeindlichen Umgebung zurechtkommen. (credit: Melanie Ko/flickr)
Homöostatisches Ungleichgewicht: Dekompressionskrankheit
Die Dekompressionskrankheit (DCS) ist ein Zustand, bei dem sich im Blut oder in anderen Körpergeweben gelöste Gase nach einem Druckabfall im Körper nicht mehr auflösen. Dieser Zustand betrifft Unterwassertaucher, die zu schnell von einem tiefen Tauchgang auftauchen, und kann Piloten betreffen, die in großen Höhen in Flugzeugen mit drucklosen Kabinen fliegen. Taucher nennen diesen Zustand oft “die Kurven”, eine Anspielung auf die Gelenkschmerzen, die ein Symptom von DCS sind.
In allen Fällen wird DCS durch eine Verringerung des Luftdrucks ausgelöst. In großer Höhe ist der barometrische Druck viel geringer als an der Erdoberfläche, da der Druck durch das Gewicht der Luftsäule über dem Körper erzeugt wird, die auf den Körper drückt. Der sehr hohe Druck, dem Taucher in tiefen Gewässern ausgesetzt sind, entsteht ebenfalls durch das Gewicht einer Wassersäule, die auf den Körper drückt. Bei Tauchern tritt DCS bei normalem Luftdruck (auf Meereshöhe) auf, wird aber durch den relativ schnellen Druckabfall ausgelöst, wenn der Taucher von den hohen Druckverhältnissen in tiefem Wasser auf den nun vergleichsweise niedrigen Druck auf Meereshöhe aufsteigt. Es überrascht nicht, dass das Tauchen in tiefen Bergseen, in denen der Luftdruck an der Oberfläche des Sees geringer ist als auf Meereshöhe, eher zu DCS führt als das Tauchen in Wasser auf Meereshöhe.
Bei DCS kommen im Blut gelöste Gase (vor allem Stickstoff) schnell aus der Lösung und bilden Blasen im Blut und in anderen Körpergeweben. Wenn der Druck eines Gases über einer Flüssigkeit abnimmt, verringert sich auch die Menge des Gases, die in der Flüssigkeit gelöst bleiben kann. Es ist der Luftdruck, der Ihre normalen Blutgase im Blut gelöst hält. Wenn der Druck verringert wird, bleibt weniger Gas in der Flüssigkeit gelöst. Sie haben das schon erlebt, wenn Sie ein kohlensäurehaltiges Getränk öffnen. Wenn Sie den Verschluss der Flasche entfernen, verringert sich der Druck des Gases auf die Flüssigkeit. Dadurch entstehen Blasen, da die gelösten Gase (in diesem Fall Kohlendioxid) in der Flüssigkeit nicht mehr gelöst sind.
Die häufigsten Symptome der DCS sind Gelenkschmerzen, Kopfschmerzen und Sehstörungen treten in 10 bis 15 Prozent der Fälle auf. Unbehandelt kann eine sehr schwere DCS zum Tod führen. Die sofortige Behandlung erfolgt mit reinem Sauerstoff. Anschließend wird der Betroffene in eine Überdruckkammer verlegt. Eine Überdruckkammer ist eine verstärkte, geschlossene Kammer, die unter einem Druck steht, der höher ist als der Atmosphärendruck. Bei der Behandlung von DCS wird der Körper unter Druck gesetzt, so dass der Druck viel allmählicher abgebaut werden kann. Da in der Überdruckkammer dem Körper Sauerstoff unter hohem Druck zugeführt wird, erhöht sich die Sauerstoffkonzentration im Blut. Dadurch wird ein Teil des Stickstoffs im Blut durch Sauerstoff ersetzt, der in gelöster Form leichter zu vertragen ist.
Der dynamische Druck der Körperflüssigkeiten ist ebenfalls wichtig für das Überleben des Menschen. So muss beispielsweise der Blutdruck, also der Druck, den das Blut beim Fließen in den Blutgefäßen ausübt, groß genug sein, damit das Blut alle Körpergewebe erreichen kann, und gleichzeitig niedrig genug, damit die empfindlichen Blutgefäße der Reibung und der Kraft des pulsierenden Flusses des unter Druck stehenden Blutes standhalten können.
Ein zweites Beispiel für eine positive Rückkopplung betrifft die Umkehrung extremer Schäden im Körper. Nach einer penetrierenden Wunde ist die unmittelbarste Bedrohung der übermäßige Blutverlust. Weniger zirkulierendes Blut bedeutet verminderten Blutdruck und verminderte Perfusion (Durchblutung) des Gehirns und anderer lebenswichtiger Organe. Wenn die Durchblutung stark eingeschränkt ist, versagen die lebenswichtigen Organe und die Person stirbt. Der Körper reagiert auf diese potenzielle Katastrophe, indem er in der verletzten Blutgefäßwand Substanzen freisetzt, die den Prozess der Blutgerinnung einleiten. Jeder Schritt der Gerinnung stimuliert die Freisetzung weiterer Gerinnungsstoffe. Dies beschleunigt den Gerinnungsprozess und die Abdichtung des verletzten Bereichs. Die Gerinnung wird auf der Grundlage der streng kontrollierten Verfügbarkeit von Gerinnungsproteinen auf ein lokales Gebiet beschränkt. Dies ist eine adaptive, lebensrettende Kaskade von Ereignissen.